1

תכונות מכניות של חומרים מרוכבים

מטרת המעבדה

.הכרת תהליך הייצור של חומרים מרוכבים .1

.אפיון התכונות המכניות של חומרים מרוכבים .2

.בחומרים מרוכביםת ובדיקת חוק התערוב .3

רקע תיאורטי

ניתן להגדרה כקומבינציה מקרוסקופית של שניים או יותר חומרים נפרדים, כאשר ביניהם מישק הניתן להבחנה. חומר מרוכב

לת רק חומרים עם זאת, מכיוון שחומרים מרוכבים משמשים בד"כ עבור תכונותיהם המבניות, ניתן להגביל את הגדרתם לכול

[ .1] )מטריצה( הנתמך ע"י חומר מקשר המכילים חומר מחזק כגון סיבים או חלקיקים

חומר נקרא חומר מרוכב רק כאשר הפאזות המרכיבות אותו הנן בעלות תכונות פיזיקאליות השונות באופן משמעותי אחת

כן תכונות החומר המרוכב שונות באופן מובהק מתכונות המרכיבים.-מהשנייה, ועל

ה של סיבים או חלקיקים אשר הנה קשה וחזקה יותר מפאזת המטריצה חומרים מרוכבים הם בד"כ בעלי פאזה בלתי רציפ

. ה הבלתי רציפההרציפה. ע"מ לקבל חיזוק, צריך להיות שבר נפחי יחסית גדול של הפאז

(.1 איור) יחסית הוא הסקי המודרני יםמורכב יםמבנאחד מ

. כמו גם החומר המשמש בבנייתו ,הפונקציה של כל רכיב יצוין .מוצג רכיבים השונים ,חתך של סקי שלג ביצועים גבוהים .1איור

מאפיינים של מערכות חומרים מרוכבים

הפיזור רמתגודל ו(, מנסרות או פלטות, ספרות, צילינדרים)צורה : גיאומטריה של החומר המחזק.

ריכוז ואוריינטציה של החומר המחזק.

(.של מרכיביםפיזור וריכוז )של המערכת (אחידות) הומוגניות

2

(זקאוריינטציה של החומר המח)איזוטרופיות המערכת.

סיווג חומרים מרוכבים

חומרים מרוכבים ניתנים לסיווג במספר אופנים. אחת משיטות הסיווג הנה הבדלת החומרים המרוכבים עפ"י צורות החומר

:(2)איור המחזק

.particulate composite –חומר מרוכב המחוזק ע"י חלקיקים

.fibrous composite –חומר מרוכב המחוזק ע"י סיבים

.laminated composite –חומר מרוכב המורכב משכבות של חומרים שונים

Particulate composite

חומר מחזק נחשב כחלקיק אם כל ממדיו פחות או יותר שווים. לכן, חומרים מרוכבים המחוזקים ע"י חלקיקים כוללים את

, מוטות, פתיתים וצורות רבות אחרות שהן בערך שוות צירים.לו המחוזקים ע"י ספרותא

ישנם חומרים, בד"כ פולימרים, המכילים חלקיקים אשר משמשים גם מעבר לחיזוק המטריצה. הם נחשבים בד"כ כמערכות

מרוכבים אלו אינם נחשביםרים "מילוי". מאחר ומטרת חלקיקי המילוי כוללת הפחתת העלות, יותר מאשר חיזוק, חומ

חומרים מרוכבים המחוזקים ע"י חלקיקים. אעפ"כ, בחלק מן המקרים, חומר המילוי יחזק גם את חומר המטריצה. הדבר דומה

[ 1גם עבור חלקיקים המוספים לשם מטרות לא מבניות, כגון חסינות לאש, שליטה בהתכווצות, והעלאת המוליכות התרמית ]

.

cermetsמתכתיים, לדוגמא: -מטריצה יכולים להיות כל שילוב שהוא של חומרים מתכתיים ואלחומרי החלקיקים וה

)קרמיקה +מתכת(, סיבים אנאורגניים + פלסטיקים וכדומה. חומרים מרוכבים המחוזקים ע"י חלקיקים יכולים להיות בעלי

.[1] אוריינטציה אקראית או בעלי אוריינטציה מועדפת

: סיווג החומרים המרוכבים 2 איור

3

Fibrous composites

חומרים מרוכבים מחוזקים ע"י סיבים רציפים, ע"י סיבים לא רציפים, או ע"י חלקיקים. סיבים רציפים הנם סיבים ארוכים,

וגודל אשר בד"כ מגיעים לערכים מקסימאליים בתכונות כגון חוזק וקשיחות, הודות לאנאיזוטרופיות הנשלטת שלהם ומספר

נמוכים של פגמי פני שטח. בחומרים מרוכבים המחוזקים ע"י סיבים רציפים, מניחים כי העומס נישא בעיקר ע"י הסיבים

אשר כיוונם הוא לאורך כיוון העומס. סיבים לא רציפים הנם סיבים קצרים המתקבלים ע"י סיבים רציפים חתוכים או

גבישים יחידים - whiskers יאת של סיבים קצרים האחר הת. צורבים קצרים לשם הפחתת העלומיוצרים ישירות כסי

, משפיע באופן משמעותי על התכונות של D ,ratio-LD) (aspect לקוטר L מאורכים בעלי חוזק גבוה במיוחד. היחס אורך

החומר המרוכב בעל הסיבים הקצרים.

וב בעלי תכונות איזוטרופיות במישור הלמינט. חומרים מרוכבים עם סיבים קצרים בעלי אוריינטציה אקראית הם בקיר

אינם מפחיתים את הזחילה של מטריצת הפולימר באותה אלהשחומרים יותר ליישומים מבניים, הוא החיסרון הגדול ב

היעילות של הסיבים הרציפים. יתר על כן, חוזק נמוך יותר מאשר של אלו בעלי הסיבים הרציפים.

שו הסוג החשוב ביותר של חומרים מרוכבים, מאחר והם בעלי יכולת להשגת חוזק גבוה החומרים המרוכבים הסיביים נע

חומרים מרוכבים המחוזקים ע"י סיבים מכילים (. 2 איור) מאוד, בשל החוזק הגבוה לאורך הסיבים או החוטים הדקיקים

ן לחלק את החומרים המרוכבים נית חומרים מחזקים אשר הנם בעלי אורך הגדול הרבה יותר מאשר ממדי חתך הרוחב שלהם.

שכבות נפרדות בעלות אותה שמכיל ingle layer compositesSאחת היא המוחזקים ע"י סיבים לשתי קטגוריות:

שכבתיים ניתן להבחין -בחומרים מרוכבים חד ע"י אותו חומר מטריצה.ואותן התכונות, המחוברות יחדיו אוריינטציה

חומר מרוכב נחשב כחומר מרוכב המחוזק ע"י סיבים בלתי רציפים או קצרים אם תכונותיו ברציפים ובלתי רציפים, כאשר:

משתנות עם אורך הסיב. הוא יכול להיות בעל אוריינטציה מועדפת או אוריינטציה אקראית. מצד שני, אם אורך הסיב הנו כזה

ר המרוכב, החומר המרוכב נחשב כחומר שכל הגדלה נוספת באורך אינה, לדוגמא, מגדילה את מודול האלסטיות של החומ

[.1] מרוכב המחוזק ע"י סיבים רציפים או ארוכים

[2: השוואה בין חומרים מונוליתים קונבנציונאליים לבין חומרים מרוכבים ] 3 איור

חומר מרוכב המחוזק ע"י סיבים רציף יכול להיות בעל:

-דו ,(unidirectional) כיוונית-אוריינטציית סיב חד

.(random)אקראית ו (bidirectional)כיוונית

שכבתי בעל כוון אחיד ניתן לייצור ע"י -חומר מרוכב חד

הנחת הסיבים הארוכים מקבילים והרווייתם עם חומר

מטריצה שרפי )לדוגמא שרף פוליאסטר או אפוקסי(.

(preimpregnated)צורה זו של סיבים נקראים

prepregs .

מחוברים יחדיו באוריינטציות שונות prepregs–ה

ליצירת השכבות. חיזוק רציף ניתן לקבל גם בכיוון שני

לא ניתן לשלוט .לספק תכונות מאוזנות יותר באריג

[3שכבות ] ארבעמ laminateהרכבת : 4 איור

4

(.chopped fibers)אוריינטציה אקראית עםרציפים בחומר מרוכב בקלות על האוריינטציה של הסיבים הקצרים או הלא

-. כל שכבה הנה חומר מרוכב חדlaminate (multilayer or angle-ply composite)וראים ק שכבות-חומר מרוכב רב

-שכבתי, אך האוריינטציה של השכבות משתנה. אם הזווית בין השכבות שווה לo

cross-ply, החומר המרוכב נקרא 90

composite. להוסיף שכבות באוריינטציות שונות הכרחי נעשה הסיב, הסיבים אינם אחראים לחוזק לרוחב כיווןשמאחר

ע"מ לעמוד בפני כל העומסים המיושמים. דרך אחת להשיג זאת הנה ליצור מס' שכבות המוערמות אחת על השנייה

מבנה השכבות יכול להיות מבנה פשוט שבו השכבות . .Error! Reference source not found) באוריינטציות שונות

.השונות עשויות מחומר זהה

(. ההכלאה הנפוצה מתכתי-דומבנה )לדוגמא, Hybrid laminate - ים נקראשונ יםבו השכבות השונות עשויות מחומרמבנה

. ליבה קלת משקל כגון מבנה ספוגי או כוורתי המונחת בין שתי פאות חזקות וקשיחות. סנדביץ'ביותר הנה מבנה

laminates Plastic-based לדוגמא, ניתן לעשות אריג של זכוכית או ניילון כשכבות עם שרפים שונים להשגת חומר(

KEVLAR :קל משקל ועמיד בנגיפה ובחדירה כגון מרוכב® (synthetic fiber (para-aramid .

compositesfibrous -nonLaminate

שכבות, כאשר שניים מממדיהן גדולים הרבה יותר מאשר השלישי. כמהנם אלו המורכבים מחומרים מרוכבים למינרים ה

)לדוגמא הגנה בפני clad metals ,)לדוגמא חיישן של תרמוסטט( bimetals להבחין ב:בחומרים מרוכבים שכבתיים ניתן

.לחלונות של רכב Polyvinyl Butyral (PVD) לדוגמא שקוף פלסטיקוזכוכית מ מורכב laminated glass, קורוזיה(

ומטריצות סיבים

את החוזק והקשיחות, והמטריצה קושרת את הסיבים יחדיו ולכן מספקת מעבר העומס בין הסיבים ובין מספקים הסיבים

החומר המרוכב והעומסים החיצוניים ותומכת. הסיבים הנם בשימוש בחומרים מרוכבים בגלל שהם קלי משקל, חזקים

הסיב והמספר המופחת של הפגמים הנוכחים וקשיחים. הסיבה לכך היא האוריינטציה המועדפת של המולקולות לאורך כיוון

,GPa 72-ו GPa3 בערך ובצורה של סיב שווהנפחי E-glassלמתיחה של חוזק למשל, בסיב לעומת חומר נפחי.

באופן טבעי חזק יותר מאשר הצורה הנפחית בגלל שהגודל של הפגם מוגבל ע"י קוטר קטן של הסיב. סיב [. 3] ,בהתאמה

ע"י עריכת מספר גדול מהם (unidirectional)קים רציפים בחומרים מרוכבים בעלי כיוון אחיד הסיבים משמשים כמחז

בעלת כיוון אחיד הנה בעלת קשיחות וחוזק למינה. plyאו ( laminaלמינה ) שכבהבפלטה דקה או קליפה, הנקראת

מקסימאליים לאורך כיוון הסיב ותכונות מינימאליות בכיוון מאונך לכיוון הסיבים.

-חד בד"כ ,חומרים מרוכבים מחוזקים עם סיבים חתוכיםתכונות מכניות של ח"מ תלוית בסוג של סיב וחן מטריצה. לדוגמא,

או חלקיקים יכולים לחוות דפורמציות זחילה גדולות אפילו (chopped whiskers or fibers) גבישים מאורכים

עם מטריצה פולימרית לזחילה )לדוגמא פחמן או זכוכית(שימוש בסיבים רציפים עם כניעה נמוכה . אבלבטמפרטורת החדר

(PMC יכולים להיעשות כעמידים בפני זחילה כנדרש )[3].

שיטות הייצור prepreg (nated into the fiberspregimpre epoxy.) הסיבים ניתנים להשגה בצורת רצועתרוב

. הנן איטיות ודורשות עבודה אינטנסיבית prepreg-המשתמשות ברצועת ה

5

כגון פנלים במטוסים , ם המחוזקים ע"י סיבי זכוכית רציפים ובלתי רציפים נמצאו ביישומים נרחבים"ח .סיבי זכוכית

[. סיבי זכוכית מראים את תכונות הזכוכית האופייניות של קושי, עמידות בפני 1] ועוד לחץ מנועי טיל ומכלי ,ומכשירים

. יתר על כן, הם גמישים, קלי משקל, זמינים, טובים לעיבוד, קלים לייצור ואינם יקרים. תכונות אלו כימית קורוזיה ואינרטיות

כל סיבי עושות את סיבי הזכוכית הסוג הנפוץ ביותר של סיבים אשר בשימוש ביישומים תעשייתיים של עלות נמוכה.

[. הרגישות של פני השטח של 3גרדציה סביבתית ]הזכוכית הנם בעלי קשיחות זהה אך ערכי חוזק שונים והתנגדות שונה לד

[.1סיב הזכוכית לתקיפת לחות עדיין מהווה בעיה, כמו גם שבר תחת עומסים ארוכי טווח ]

alumino-boro-silicate ,Calcium, זכוכית E-glass (electrical) –הסיב הזכוכית בעל השימוש הנפוץ ביותר הנו

הנם בשימוש כאשר נדרשים חוזק E -glassסיבי . , כימיות וחשמליות, במחיר בינונימכאניותבעלת מאזן שימושי של תכונות

יאנג אינו מאוד גבוה.צפיפות הסיבים הנה יחסית נמוכה וחוזקם יחסית גבוה. מודול . למתיחה גבוה והתנגדות כימית טובה

המאפיין הוא זה שהביא את תעשיית החלל . לחץבמנועי טילים ובמכלי נרחבים בתעופה הליפוף בשיטת E-glass יישומי

.SiC –ו Al2O3לסיבים מתקדמים אחרים כדוגמת בורון, פחמן,

בעלי הרכב סיבים אלו יכולת עמידות בטמפרטורות גבוהות יותר מאשר זכוכיות אחרות. S-glass (Strength) -הלסיבי

ם בעלי החוזק הגבוה ביותר, אך יישומיהם ה. E-glassמאשר (magnesium aluminosilicates)גבוה יותר של אלומינה

נמוכה צפיפות . מסיבה זו, סיבי הפחמן )והארמיד( בעלות E-glass -ממחיר ה 4לפי 3מוגבלים בשל מחירם הגבוה בין פי

ת בפני הנם בשימוש ביישומים בהם נדרשת התנגדו C-glass (corrosion)סיבי .S-glass -נחשבים כעת כאלטרנטיבה ל

הנם בשימוש ביישומים חשמליים כגון חיזוק הליבה של מבודדים קרמים במתח גבוה. D-glass (dielectric)סיבי קורוזיה.

. הם שולטים על שוק (1)טבלה הנם סיבים קלי משקל וחזקים, עם עמידות כימית מצוינת (,גרפיט)סיבי פחמן . ןסיבי פחמ

שני חומרי גלם עיקריים הנם בשימוש: (.stiffnessות )ינים עם טווח נרחב של ערכי קשיחסיבי פחמן הנם זמשיית החלל. תע

(PAN) polyacrylonitrile ( וזפתPitch סיבי זפת .)אך הנם בעלי חוזק נמוך יותר מאשר סיבי ה יותר זולים ,–PAN .

. גווניםבעלי ערכי קשיחות וחוזק מ PAN–סיבי ה

, סיבIntermediate Modulus))הנו בעל מודולוס בינוני IM6 סיב, קשיחות גבוה בעלי AS4D–ו T300, AS2סיבי

HMS4 ( הנו סיב בעל מודולוס גבוהHigh Modulus וסיבי )UHM - ( מודולוס גבוה ביותרModulus Ultrahigh .)

315-טמפרטורת הפעולה המקסימאלית של סיבי הפחמן משתנה מoC 537-ל

oCבלת ע"י טמפרטורת , אך יכולה להיות מוג

. בהיותם PMC (polymer matrix composite)ח"מ עם מטריצה פולימרית הפעולה של המטריצה, כמו במקרה של

המעוות יותר לחומר המרוכב ע"י הפחתתקשיחים יותר מסיבי זכוכית, סיבי הפחמן מספקים מאפייני התעייפות טובים

סיבי של מכלי לחץ ית מאמצים הנה ניכרת פחות בסיבי הפחמן. בייצורקורוזבעומס נתון. בנוסף, תופעת במטריצת הפולימר

קורוזיה גלוונית תתרחש במקרה שחומר מרוכב נמצא במגע חשמלי עם מתכות. על כן, חמן הנם מוליכים חשמליים טובים, הפ

רך כלל ע"י הוספת חומר צריך להימצא מבודד בין חומר מרוכב עם סיבי פחמן וחומר מתכתי באותו המבנה. הדבר נעשה בד

(. הגורם המגביל העיקרי לשימושי סיבי פחמן הוא המחיר. mm 0.5של זכוכית )עובי של בערך matמרוכב המחוזק ע"י

ם שוניםתכונות אופייניות של סיבי :1 טבלה

6

יגת אנרגיה בעלי ספאשר סיבי הארמידהמוכרים ביותר הנם הסיבים האורגאניים. סיבים נוספיםו סיבים אורגאניים

שריון גופים )יישומים ל דבר העושה אותם אידיאליים עבור הגנה בפני נגיפה ובליסטיות -גבוהה במהלך התעייפות

נמוכה הנם בעלי ספיגת לחות נמוכה יותר וצפיפות סיבי פוליאתילן .kevlar 49הנפוץ ביותר בשימוש הוא סיב . (ולתעופה

120, אך גם טמפרטורת פעולה מקסימאלית נמוכה יותר )בערך kevlar 49יותר מאשר של oC .)

נמצאים והיקרים ביותר בין כל הסיבים . הם סיבי בורוןקשיחות גבוהה, חוזק גבוה, וצפיפות נמוכה, כל אלו נפוצים עבור

בשימוש הנרחב ביותר כמחזקים בתעשיית החלל ובחפצי ספורט.

הם בעלי השימושים הנרחבים ביותר SiC-מיוצרים כמו סיבי הבורון, אך על מצע פחמן. סיבי ה (SiC) קרביד סיליקון סיבי

כמחזקים עבור מטריצות מתכתיות, בעיקר טיטניום, אך הם נמצאים בשימוש גם בשילוב עם שרפים פולימרים. כמו סיבי

בגלל מוגבל שימושם , אף בטמפרטורות גבוהות טובהעמידות ו גבוה מאופיינים ע"י קשיחות גבוהה וחוזק SiCהבורון, סיבי

מאוד גבוה.מחיר

אלומינה סיליקט טיטניה,אלומינה, )מבוססים על תחמוצות מתכתיות סיבים קרמיםכמשמשים לראשונה לחיזוק בוכנות דיזל,

.טמפרטורות גבוהותב (MMCs- metal matrix composites) עם מטריצה מתכתית מ"וזרים בשמירת החוזק של חע כו(ו

זמנית, מכבשן אחד ונארגים -מיוצרים בו strand -. כל הסיבים ב- Strand (end), tow, yarn, roving טקסטיל חיזוק

נוצרים ע"י ליפוף המספר Rovingsרציפים מקבילים. strandsהנו אוסף של Rovingמלופף. strandהוא Yarnיחדיו.

הערך או yard/pound (yd/lb)הגבולי הוא האורך Yieldהרצוי. yield -בודדים לשם השגת ה strandsהנחוץ של

.TEX [g/km] המטרי

Mat, fabric, and veil .Mat נוצר ע"י חוטים קצוצים בעלי אוריינטציה אקראית(chopped strand mat) סיבים ,

המחוברים יחדיו בצורה רופפת בעזרת כמות מאוד קטנה (continuous strand mat- CSM)קצרים, או חוטים מסובבים

7

ו Veilדק, המשמש כשכבת פני שטח לשיפור העמידות בפני קורוזיה של החומר המרוכב. matהנו Veilשל דבק )מקשר(.

– mat .הם בעלי סיבים בעלי אוריינטציה אקראית בכל כיוון, דבר המוביל לתכונות איזוטרופיות בחומר המרוכב

מטריצה .מכאניה בלאיוהבה הסיב מפני הסבי נהמגואת העומס בין הסיבים המעביראת הסיבים יחדיו, המחזיק מטריצה

גון קשיחות , כרי. חלק מן התכונות של החומר המרוכבאנלמי-חלק מן העומסים, בעיקר מאמץ רוחבי ומאמץ גזירה בין הנושא

או חומרים קראמיים. חומרים צה יכולים להיות פולימרים, מתכותע"י המטריצה. חומרי המטרי ותוחוזק רוחביים, נשלט

ייצור של קלות הבגלל הם הנפוצים ביותר (PMCs-polymer matrix composites)מרוכבים עם מטריצה פולימרית

תרמוסט או כפולומר מסוגלהיות ההיא יכולPMCs -. המטריצה של היםוהשקעה כספית נמוכמחיר כלים , יםחלק

.תרמופלסט

ת ע"י מעבר כימי בלתי הפיך של מערכת השרף למטריצת פולימר אמורפית בעלת קישור ונוצר מטריצות תרמוסטיות

צולב. באופן כללי, הפולימר נקרא "מערכת שרף" במהלך הייצור ו"מטריצה" לאחר שהפולימר הוקשה )עבר התמצקות(.

ויות ייצור גבוהות. מערכות השרפים התרמוסטים הנם בעלי צמיגות נמוכה, המאפשרת הספגה מצוינת של הסיב המחזק ומהיר

השרף התרמוסטיות הן הנפוצות ביותר בשימוש, בשל קלות הייצור שלהן ומחירן הנמוך. "חיי מדף" הנו הזמן שמערכת

ציה, ובד"כ מומלץ על אחסון בקירור להשגת חיי המדף הנומינלים של דהשרף הלא מעורבב יכולה להיות מאוחסנת ללא דגר

הוא הזמן בו השרף המעורבב יכול להחזיק לפני שהצמיגות גדלה לנקודה בה הייצור "gel time"או "Pot life"המוצר.

אינו אפשרי יותר.

יכולים להשתנות מדקות לשעות, (curing) )זרז( ושל ריאקטיביות השרף, מחזורי ההקשיה ורטזכתלות בבחירה של הקטלי

ותרמיות וההתקרשות בד"כ מהירה. ס. התגובות הן אקיותר ויכולים להתבצע בטמפרטורת החדר או בטמפרטורה גבוהה

ההתקרשות מתרחשת כאשר השרף מגיע לנקודה בה הצמיגות כל כך גדלה, עד שהשרף בקושי יכול לזוז כאשר הוא נבדק עם

אסטר, אפוקסי ופנולי. ויניל -(. השרפים התרמוסטים הנפוצים ביותר הם הפוליאסטרים, וינילASTM D2471כלי חד )

טרים הנם בעלי חוזק גבוה ופוליאסטרים הנם בעלי חוזק בינוני. שרפים אפוקסים נחשבים כבעלי ביצועים גבוהים, במובן אס

[.3האחרים ]שהחוזק שלהם עולה על התרמוסטים

8

.woven, stitched, braided, randomaly oriented mats : צורות סיבים : 5 איור

כמו ביצה שמקשים אותה ולא ניתן לרככה עוד, כך גם השרף התרמוסטי, אחרי ההקשיה החומר לא ניתן עוד לריכוך. השרף

בחומר כזה, העלאת הטמפרטורה לא תתבטא עוד בהרפיה פיזית של השרשראות כמו התרמוסטי הוא מולקולה ענקית אחת.

, כי בממס לא מתמוסס הזהאות חופשיות. מאותה סיבה החומר בתרמופלסטיים, כי בהיותו מולקולה אחת אין בחומר שרשר

עמידות טובה בטמפרטורות גבוהות, ם הם בעלי תרמוסטילכן .המולקולותתופעת ההמסה של חומר פירושה הפרדה בין

קשרי הצילוב גורמים לירידה בגמישות ובכושר התנגדותם אף עמידותם הגבוהה בכימיקלים, ויציבות הממדית הגבוהה.

אימפקט. חומרים אלה פריכים עד כדי כך, שמוצרים המבוססים עליהם חייבים להכיל חומרי מילוי או חומרי שריון. יתרון ל

ייחודי לחומרים אלה, הנובע מן העובדה שהחומר המצולב מהווה מולקולה אחת גדולה, הוא שניתן להכין אותם מצילוב

שרשראות פולימריות קצרות מאוד.

9

ניתן לעצב מוצרים מחומרי לכן .של שרף קטן יותר, כך טמפרטורת ההתכה של החומר נמוכה יותרולרי המולקככל שהמשקל

גלם נוזליים בעלי צמיגות נמוכה בטמפרטורת החדר. תהליך ההקשייה של שרפים תרמוסטיים יכול להתבצע ללא חימום

גבוהות )פנולים, מלאמינים וכו(. מהקבוצה הראשונה פוליאוריתנים, אפוקסים וסיליקונים(, או בטמפרטורות )פוליאסטרים,

מעצבים למשל סירות, יאכטות, חלקי מטוסים, חלקי מכוניות, מתקני משחקים לילדים, גשרים, משטחי שיש מלאכותי וכדו'.

[.4מהקבוצה השנייה מעצבים מוצרים קטנים בשיטה ההזרקה והכבישה ]

הבקליט הוא מוצר של ריאקציה בין לחשיבות מסחרית. שון שזכה הוא השרף הסינתטי הרא (בקליט) השרף הפנולי

יוצרים את קשרי הצילוב בין , ובשלב השנינולי התרמופלסטיפורמאלדהיד ובין פנול. בשלב הראשון מכינים את השרף הפ

מפרטורה של בלחץ גבוה ובטהשרשראות oC 150-200.

ש ים למוצרי חשמל, חלקי מקררים וטלפונים. הם זוכים לשימוולתנורים, מכלול יים מעצבים ידיות לסיריםמשרפים פנול

.כות ו)קלצ'ים(, אבני משחז מכוניות חלקיוכחומר מקשר בייצור שונותלוחות רחב כחומרי דבק לייצור פורמייקות,

המצולבים מצטיינים בפני שטח קשים, שאינם נשרטים בקלות, הם בעלי חוזק מכאני גבוה, עמידים השרפים הפנוליים

בטמפרטורות גבוהות, עמידים טוב במים ובממסים אורגנים. הם אינם זוחלים, אינם דליקים, והם בין השרפים התרמוסטים

א מעצבים ממנו מוצרים בהירים.הזולים ביותר. אבל בחשיפה לאור שמש החומרים מקבלים צבע כהה, ולכן ל

(. צילוב NH2הם שרפים תרמוסטיים השייכים למשפחת האמינופלסטיקים כוללים קבוצות אמינות ) אוריאה ומלאמין

ניתן ולכן שלהם מתרחש בחום כתוצאה של תגובה פורמאלדהיד או מלאמין עם פורמאלדהיד. הם לא מתכהים בחשיפה לאור

מייצרים (מפסקים, התקעים והשקעים)מוצרי חשמל (,מלאמין) כלי אוכלכגון וצבעונייםצב מהם מוצרים בהירים לע

מאוראה.

מניות, יקבוצות אסטריות מקשרות בין חוליות פחמ הם בים כמו בפוליאסטרים תרמופלסטייםמצול פוליאסטרים תרמוסטיים

.פחמן כפולים(, אותם מנצלים כדי לקשור את השרשרות ביניהן-מכילות גם קשרים בלתי רוויים )קשרי פחמן שרא

בשרפים אלה, מייצרים תחילה את הפוליאסטר התרמופלסטי הבלתי רווי, חומר בעל משקל מולקולארי נמוך, שהוא לרוב

מרים אלהאלילפטאלאט, או מטילמטהקרילאט. חו–וזל הצמיג מדללים בעזרת סטירן דינוזל בעל צמיגות גבוהה. את הנ

מתחיל כאשר לתמיסה של שני הנוזלים מוסיפים curing–משמשים גם כריאגנטים לצילוב. תהליך ההקשייה או ה

–, המתחילים את פעולת הצילוב בין השרשראות. ריאקציית הצילוב בין המונומרים )סטירן די(peroxydes) פראוקסידים

, היא ריאקציה מהירה המתרחשת בקלות. לכן תהליך ההקשיה של רילאט( ובין הפוליאסטרו מטילמטהקאלילפטאלאט א

הפוליאסטרים הבלתי רוויים אינו דורש חימום ויכול להתבצע בזמן סביר בטמפרטורת החדר. לחומר שהוא נוזל בטמפרטורת

ם.החדר, ועובר הקשיה ללא חימום, יתרונות רבים בבניית חלקי מבנה גדולי

וניות ממנו את הגופים של מכ עשו , למשל,מפוליאסטר משורין בסיבי זכוכית, מעצבים למשל גופי מכוניות ומשאיות )בארץ

מתקנים למגרשי משחקים, סירות, יאכטות וגשרים. מפוליאסטר ומלאנים אגרגאטיים, מכלים גדולים, הסוסיתא והכרמל(,

וכדומה. מלאכותימייצרים את השיש ה

לעיתים בסכנת פיצוץ או עבודה לא נכונה עם פוליאסטר הקשיה תלויה בכמות הפראוקסיד ובטמפרטורת המערכת.מהירות ה

, למשל, זים לתוך תמיסת הפוליאסטרדליקה. אחת השיטות הנהוגות בתעשייה לזרז את תהליך הצילוב, היא הכנסת זר

את הפראוקסידים, אבל אם מסיבה כלשהי מערבבים . זרז זה כאשר הוא מצוי בשרף פועל באיטיות לפרקנפטנאט –קובאלט

אקסותרמית מהירה ביניהם, אשר עלולה לעיתים להסתיים בפיצוץ או עם הפראוקסידים, תתכן ריאקציה את הזרז ישירות

דליקה.

. הכימיה של יצירת שרפים מהווים היום את אחת הקבוצות החשובות ביותר בין השרפים התרמוסטיים השרפים האפוקסים

מצולבים אלה, מבוססת על תגובה בין מולקולות המכילות שתי קבוצות אפוקסי ובין מקשה שתפקידו לצלב ביו מולקולות

, ואילו כמקשיםAאלה. האפוקסים המקובלים היום בשימוש הם המתקבלים מריאקציה בין אפיכלורוהידרין וביספנול

כדי לקבל שרף אפוקסי בעל תכונות אופטימליות יש רידים, חומצות קרבוקסיליות ועוד.מכילים אמינים, אמידים, אנהיד

10

ביםלשמור במערכות אלה על יחס סטויכיומטרי מדויק בין הבסיס והמקשה. סטייה מיחס זה עלולה להשאיר את אחד המרכי

.מחוץ למערכת

שרפי האפוקסי למרות מחירם הגבוה, נובעת מ: של הפופולריות

, ושרם להתקשות הן בטמפרטורת החדר והן בטמפרטורות גבוהותכ( 1)

, תכונות הדבקה מצוינות לחומרים רבים( 2)

, חרר חומרים נדיפים תוך כדי הקשיההשרף אינו מתחמם ואינו מש (3)

מהלך הצלוב, השרף כמעט ואינו מתכווץ ב( 4)

, פיגת המים שלו מזעריתס, אורגנייםבממסים מימיים ו, הגבוהה בפני קורוזיעמידות ( 5)

, התנגדות טובה למעבר זרם חשמלי( 6)

בנוכחות מלאים וחומרי שריון. חוזק מכני מעולה( 7)

בשרפי האפוקסי משתמשים לייצור דבקים מצוינים, צבעים מעולים, ליציקות מדויקות, לחלקים החייבים לעמוד בתנאים

י האפוקסי כמאגדים בחומרים מרוכבים. שרפי אפוקסי משוריינים מכנים ותרמים קשים. אך את עיקר שימושם מוצאים שרפ

בסיבי זכוכית, סיבי אראמיד, או סיבי גרפיט, משמשים היום לייצור מוצרים בעלי חוזק גבוה, משקל נמוך, ועמידות טובה

נים העיקריים בתחום רחב של טמפרטורות. תעשיית החלל, תעשיית המטוסים המתקדמים ואביזרי ספורט יוקרתיים הם הצרכ

לחומרים אלה. אפוקסים משמשים כדבקים עבור מבני חלת דבש בתעופה וכשרפי ריבוד עבור גוף המטוס ויישומי טילים

.אשר מייצרים בשיטת הליפוף

מטריצות אפוקסי משמשות בטמפרטורות שרות של בין oC125 ל-

oC175 להעלאת קשיחות של החומר המרוכב, השרפים .

התרמוסטים מוקשחים עם תוספים, כולל הוספת חומרים תרמופלסטיים. טמפרטורת שרות עבור אפוקסים האפוקסים

-מוקשחים נמוכה מזו של אפוקסים קשיחים, ומגיעה לoC125 טמפרטורת הפעולה היא בד"כ מתחת לטמפרטורת .Tg אשר ,

-הנה גבוהה עבור אפוקסים פריכים )עד לoC 247קשחים ( ונמוכה עבור אפוקסים מו(

oC76185

oC -.)

פותחו בגרמניה עוד בשנות השלושים, אך זכו לשימוש רחב רק בשנות החמישים. שרפים אלה שרפים פוליאורתניים

(, ומולקולות המכילות שתי קבוצות NCOמקבלים כתוצר תגובה בין מולקולות המכילות שתי קבוצות איזוציאנאטיות )

בין השרשרות מספקים בשרפים אלה הטריאולים )מולקולות המכילות שלוש (. את קשרי הצילובOHהידרוקסיליות )

עם toluene diisocyanate (TDI) בד"כ בתגובהאשר מייצרים פוליאורתנים המקובלים ביותר ת הידרוקסיליות(. קבוצו

polymeric polyols (polyethers polyesters or ) .קשיחים עד ממוצרים -רחב מאוד הוא פוליאורתניםשימוש ב

.קצפיםו לאלסטומרים גמישים

התנגדות מצוינת לנגיפה, ממסים אורגניים, הם בעלימים וב בוהות, אינם מסיסיםהפוליאורתנים עמידים בטמפרטורות ג

צמיגי מכוניות, קצפים אלסטומרים שונים, ותי,משרפים פוליאורתנים מייצרים סוליות לנעליים, עור מלאכ .ועוד לשחיקה

וקצפים קשיחים לבידוד ולאריזה. למזרונים

אינו עובר שום מעבר משמשים לחומרי מבנה הנדסיים ולשימוש ביתי. הפולימר התרמופלסטי מטריצות תרמופלסטיותב

כימי במהלך הייצור. הפולימר מרוכך מהמצב המוצק לשם עיבוד, וחוזר למצב מוצק לאחר שהייצור מושלם. התרמופלסטיים

הם בעלי צמיגות גבוהה בטמפרטורת הייצור, דבר העושה אותם קשים יותר לייצור. מאמצי הגזירה הגבוהים הנחוצים

על כן, אחת . פעמים 100עד 10ל של לסיבים וכתוצאה, הפחתה באורך הסיב בסדר גוד לזרימת התרמופלסטיים גורמים נזק

המטרות העיקריות בייצור של חומרים תרמופלסטיים ובתהליכים חדשים היא להפחית את האפקטים של הצמיגות בנוזל.

הסיבים והפולימר. מאחר וההספגה ניזוקה כתוצאה מצמיגות גבוהה, יש לתת טיפול מיוחד לשם הבטחת המגע בין

תרמופלסטים הם בעלי חיי מדף בלתי מוגבלים באופן תיאורטי. חומרים מרוכבים תרמופלסטיים ניתנים לתיקון, מאחר

.ע"י חימום צע מספר רב של פעמיםוהמעבר למצב המרוכך יכול להתב

Polyether ether keton (PEEK) טמפרטורה גבוהה. היא הנה המטריצה התרמופלסטית הנפוצה ביותר עבור יישומי

גבישי למחצה בעל ספיגת הוא חומר PEEKבעלת חסינות גבוהה לשבר, אשר חשובה לסבילות נזק של חומרים מרוכבים.

מים הרבה יותר נמוכה מאשר של רוב האפוקסים.

11

Polyphenylene sulfide (PPS) בעל עמידות כימית מצוינת. גבישי למחצההנו חומר תרמופלסטי

Polysulfone (PSUL) עם התארכות לשבר גבוהה מאוד ויציבות מצוינת תחת תנאי חום ורטיבות. אמורפי הוא תרמופלסט

סוגים של פולימידים. 4נציין

Polyetherimide ((PEI ו- imide-Polyamide (PAI) עם טמפרטורות מעבר זכוכיתי יםיתרמופלסטים אמורפ -הם

.גבוהות

III - K ו- TPI-LARC פולימרים בתמיסת ממס המשמשים לציפוי סיבים. הציפויים לאחר מכן מוקשים - הם פרה

300בבערך oC ונעשים פולימרים אמורפים עם טמפרטורות מעבר זכוכיתי גבוהות. לאחר הקשיה, הפולימר ניתן לחימום

תרמופלסטי רגיל עם טמפרטורת ביצוע גבוהה טובה.חומר ולשינוי צורה כ

וחומרי שריון (fillers)ים מלאנ

תוסף אבקתי אינרטי המיועד בעיקר להוזיל את מחיר המוצר.הוא מלאן

: שרף פולימרי המכיל בתוכו מלאן סיבי.(reinforced plastic) פלסטיק משוריין

בחומרים הפלסטיים, בתחילה, השתמשו בהם כבחומר מילוי נפחי בלבד כדי להוזיל את מחיר המוצרים. במשך המלאנים

השנים, עם הניסיון הרב שנרכש בעבודה עם חומרים אלה, הסתבר, שעצם נוכחותם בחומר, מקנה לו תכונות שונות מאלה

.שהיו לו במקור

הגדלת המודול האלסטי, הקטנת התכווצות ההיתך, הגדלת ההתנגדות ל:אפילו מלאנים פשוטים )אינרטיים( תורמים בשרף

ללחיצה ולזחילה, הקטנת מקדם ההתפשטות, הגדלת הקושי, העלאת טמפרטורת ההתרככות ועוד.

עלייה במוליכות , הורדת מקדם החיכוך ואילו מלאנים מתוחכמים יותר, אלה המכונים מלאנים אקטיביים, תורמים גם ל:

וכו. הגדלת ההתנגדות לשחיקה, מליתהחשו התרמית

שתרומתם לחומר הפלסטי מתבטאת (reinforcing fillers)נוסף על שני סוגים אלה קיימת קבוצה שלמה של מלאני שריון

בעיקר בהקניית תכונות מכאניות משופרות. מלאנים אלה מוצאים היום שימוש נרחב מאוד במוצרים פלסטיים הנדסיים

[.1-4הגיאומטרי הסיבי שלהם ]וייחודם הוא במבנה

ייצורה תהליך

(cure) הבחירה בשיטת הייצור תלויה בסוג המטריצה והסיבים, הטמפרטורה הנדרשת ליצירת החלק ולהקשית המטריצה

ולעלות האפקטיבית של התהליך. ע"כ, המתכנן צריך להבין את החסרונות, הגבלות, מחיר, קצב ייצור, נפח ייצור ושימושים

אופייניים של תהליכי ייצור שונים. המאפיינים הבסיסיים של תהליך הייצור הרלוונטיים למתכנן המבני יובאו להלן. הייצור

:של מטריצה פולימרית של חומר מרוכב כוללת את הפעולות הבאות

.מיקום הסיבים לאורך האוריינטציות הרצויות

.הספגת הסיבים בשרף

.ם להסרת שרף עודף, אוויר, וחומרים נדיפיםחיזוק )גיבוש( הסיבים המוספגי

.הקשיה או התמצקות של הפולימר

.הוצאה מהתבנית

פעולות סיום, כגון סידור )גיזום(.

תהליכי הייצור השונים שונים בדרך בה פעולות אלו ערוכות. ניתן לחבר חלק מן הפעולות לשלב פשוט על מנת לחסוך בזמן,

זמנית בשיטת הליפוף. חלק מן הפעולות יכולות להיות מבוצעות -גיבוש הסיבים מבוצעים בולדוגמא, מיקום הסיבים, הספגה ו

(. lay-up, אשר לאחר מכן משמש בשיטת ההנחה ביד )prepreg –מראש, כגון הספגה של ה

.hand lay-up , spray up , prepreg lay up, poltrusion, filament winding etcשיטות הייצור כוללות:

Up Prepreg Lay

12

הוא חומר מחוזק ע"י סיבים המוספג מראש, כאשר השרף מוקשה חלקית או מעובה )כאשר קיימת דרישה למוצר בעל פרפרג

עובי דופן אחיד ופיזור הומוגני של שרף וחומר שיריון(. הסיבים ערוכים בסרט בעל כיוון אחיד, בד ארוג, או לוחות של

. בשיטה זו מעצב המוצר מקבל בד מוכן לעבודה, וכל שעליו לעשות הוא לעצב ממנו את המוצר סיבים קצוצים אקראים

Prepreg -הקונבנציונאלי הוא שבשימוש ב Lay-Up -וה Prepreg Lay-Up -ולהקשות אותו, כלומר, ההבדל הבסיסי בין ה

מספיגים את הבד רק בשרפים Prepreg -. כדי להקנות חיי מדף ארוכים לmolding-ההספגה של הסיבים נעשית קודם ל

בטמפרטורות גבוהות. ההקשיה למוצר הסופי בשיטה זו דורשת, לפיכך, טמפרטורות גבוהות. curingהעוברים

Prepregs בעיקר בשימוש בייצור חלקי תעופה לביצועים גבוהים ובעלי גיאומטריות מסובכות. רוב ה- Prepregs נעשים

הרכב השרף prepreg-מחזקים בד"כ כוללים סיבי זכוכית, פחמן וארמיד. ברוב מערכות הממערכות שרפים אפוקסים, וה

להימנע מההסרה של השרף העודף, near-net חדשים נעשים עם הרכב שרף Prepregs .גבוה יותר מהרצוי במוצר הסופי

קרובה להרכב השרף נשמרת -prepreg של השרף משמעותו כי כמות השרף ב -near-net אשר נעשית יקרה. הרכב ה

אלו נעשים ע"י שימוש בשיטת הספגה מוקדמת בהיתך חם אשר מקטינה את החומרים Prepregs .הנחוץ בחלק הסופי

הם בעלי חיי מדף מוגבלים, המתארכים ע"י prepregs -מאחר והשרף מוקשה חלקית, ה. -prepreg הנדיפים הנוכחים ב

הייצור של . prepreg רשים לעזור בחיזוק והקשיה של חלקים הנעשים עםאחסונם בהקפאה. אוטוקלאב וואקום בד"כ נד

שרפים תרמופלסטים שונה מזה של תרמוסטים. הטמפרטורות והלחצים אשר בשימוש בד"כ גבוהים יותר עבור תרמופלסטים

.מפרטורת החדרבגלל שהצמיגות שלהם צריכה להיות מופחתת ע"י חום במהלך הייצור. אז ההקשיה מוחלפת ע"י קירור לט

חסכון גדול בעבודת ,פיזור אחיד של סיבים ,תהליך ייצור פשוט, אפשרות שליטה טובה על תכונות המוצר :יתרונות השיטה

. שבר נפחי גבוה של סיבים ,אולמות עבודה נקיים, כפיים

תוספת ו ציוד הקשיה יותר יקר ,יש לאחסן אותם בקירור עד לשימוש, חיי מדף מוגבלים, חומרי גלם יקרים :חסרונות השיטה

. prepreg -מחיר להכנת ה

Vacuum bagging :6איור Hand Lay-Up :7 איור

לחץ המכילים גז דחוס במהלך היצור של החומר המרוכב. הם הם מיכלי( Autoclave)אוטוקלבים שיטת האוטוקלאב

משמשים ליצור חלקים מורכבים בעלי איכות גבוהה.

תהליך האוטוקלב של החומרים המרוכבים הנו הרחבה של טכניקת שק הוואקום, המספק לחץ גבוה יותר מאשר זה האפשרי

עם הוואקום ונותן דחיסה גדולה יותר ומניעה של העדריות. החלק של החומר המרוכב מונח ונסגר בתוך שק וואקום. בתוך

האטמוספרי מיושם על החלק החיצוני של השק. לאחר מכן מעלים את השק ישנו וואקום מלא או חלקי ולחץ גז גדול מהלחץ

טמפרטורת החלק לשם התחלת תהליך ההקשיה של הפולימר. טמפרטורה גבוהה יותר מפחיתה גם את צמיגות הפולימר ,

ועוזרת בהרטבת החומר המחזק ובחיזוק החומר המרוכב.

מגובש, מגביר את יעילות הגעת החומרים הנדיפים לפתחי לחץ גדול מפעיל כוחות מכאניים על החומר המרוכב הלא

הוואקום, וגורם להגדלת הרטיבות וזרימת השרף. נפח האוויר הכלוא והחומרים הנדיפים המשתחררים קטן באופן

13

פרופורציונאלי ללחץ הוואקום המיושם בטמפרטורה הנתונה. על כן, פורוזיביות והיעדרויות נעשות מינימאליות. בנוסף,

ר החומרים הנדיפים בפולימר המותך לפתחי הוואקום יעילה יותר בלחצים גבוהים.מעב

רוב האוטוקלבים ביצור חומרים מרוכבים הם מכלי לחץ צילינדרים עם קצוות מקומרים, אחד מהם זוהי הדלת או הכניסה.

ו הפנימי. הקוטר הוא הפקטור האוטוקלב בד"כ מורכב בצורה אופקית על רצפת המפעל על מנת לספק גישה נוחה יותר לחלק

המגביל בגודל. אוטוקלבים בעלי קוטר גדול דורשים קירות עבים באופן קיצוני ונעשים מאוד יקרים. רוב האוטקלבים

.m 8- m 1 -,בעוד אוטוקלבים המשמשים בייצור נעים בקוטריהם מ m 1המשמשים במחקר ופיתוח הם בעלי קוטר של

ם בד"כ בצורות זכר או נקבה פשוטות. הכלים המשמשים באוטוקלבים ה

וחומרי שק. פעולות האוטוקלב ה וחומרים , כולל גזים תעשייתייםפעולות האוטוקלב צורכות כמויות גדולות של אנרגי

דורשות גם עבודה אינטנסיבית ולוקחות זמן. מחזור ההקשיה והגיבוש של החלק בתוך אוטוקלב הינו ארוך ואינטנסיבי.

ים מאוד עבים יתכן ויהיה צורך לחזור על תהליך ההקשיה פעמים אחדות. עבור חלקים גדולים, העולים על במקרה של חלק

הגודל של הלחצים האפשריים, תהליך האוטוקלב הינו האפשרות היחידה ועבור קצבי ייצור בינוניים בתעשיית החלל, תהליך

האוטוקלב הוא בד"כ האפשרות החסכונית ביותר.

ליטרים בדקה על כן גודל 400-60, בקצב של kPa 100קום משתמשים במשאבה ליצור וואקום של בערךעבור שק ווא

החלק קובע את זמן יצירת הוואקום. קצב הייצור של אוטוקלבים נקבע גם ע"י פרופיל ההקשיה הכולל זמן חימום, הקשיה

, בהתאמה.שעות 16-12 -ו שעות 5-3 -כבערך להגיעיכולים וגדולים חלקים קטניםהקשייה ניזמוקירור.

מהלך הניסוי

סיבי אגודות של מספר דגמים למתיחה. הדגמים מורכבים ממטריצה פולימרית ומספר מסוים של נכיןבמהלך המעבדה

.בניסוי מתיחהעד לשבר חוזק הכניעה והתארכותאת נמדודאותם דגמים ב(. towsפחמן/בזלת )

, Benzoyl Peroxide – 1% -ו PMMA (Polymethyl methacrylate )99%רכב מאבקת ושרף מבשתמש נכמטריצה

.(Koldmount)מוכר בשם מסחרי (Dimethyl p-toluidine -5% -ו Methyl methacrylate -95%ונוזל מקשה )

של סיבי פחמן או סיבי בזלת.באגודות כחומר מחזק משתמשים

הכנת הדגמים:

.נייר או וזלין. אוטמים את התבנית באמצעות ןתוא הרכבתבניות ו 7ה נק -1

( Release Agentת בחומר מונה הדבקה )והתבניאת כל מרח -2

.מקשה גרם של נוזל 3 -ו הדבק אבקת של גרם 6-כ דגם כל עבור לושק -3

וכסה באבקה. חזור על הפעולה לפי מספר מ"ס 9 באורךאבקת דבק. הנח עליה אגודת סיבים התבניתפזר בתחתית -4

.האגודות הנדרש לפי הנחיות המדריך

וערבב בזהירות עם האבקה עד שהנוזל ייספג באופן שנשקלמקשה הנוזל ה לתבנית את הוסף, תום הכנת הדגםב -5

. דקות 30-45 של זמן לפרק התבנית את רוסג אחיד.

בדיקת תכונות מכניות )ניסוי מתיחה(:

. הצורך במידת הדגמים את שחזהו התבניות את פרק -6

.2 בטבלה רשום את התוצאות .ועובי( gauge) אזור המדידה, אורך רוחב מידות הדגמים: את קבע -7

. והעומס המיקום את אפס. המופעל העומס לציר במקביל מתיחה ונתמכ של פסניותבת דגם אחוז -8

. לשבר עדהפעל את מכונת המתיחה ומתח -9

. דואר אלקטרוניב ושלח EXCEL בקובץ עיבור-מאמץ עקומות את רושמ -10

14

תוצאות ניסוי מתיחה .2טבלה

7 6 5 4 3 2 1 הדגם מספר

0 של חומר מחזק אגודתמספר

עובי ]מ"מ[

רוחב ]מ"מ[

]מ"מ[אורך

0 ריכוז סיבים במטריצה

בהופעת הסדק הראשון במטריצה ערך הכוח

)אם קיים(

F [N] מרבי ערך הכוח

[[MPa חוזק החומר המרוכב

Fm [N]

𝝈𝒇𝒄 פחמן יסיב לש חוזק MPa]]

אפיון החומר המרוכב

.חוזקמאמץ כניעה ו, התארכותדגמים. בדיקת בעה לשחמתי י. ניסוי1

דגמים )כמות השכבות, סוג השבר(.פני השבר של ה. אפיון מיקרוסקופי של 2

עיבוד נתונים

.עיבור של כל הדגמים-מאמץ. בנה את עקומות מתיחה 1

)שטח החתך של הסיבים יחסית לשטח החתך של הדגם(. הסיביםהשטח של ריכוזכתלות ב UTS. שרטט את החוזק הגבולי 2

:חומר הנבדקל ישים( additivity)פחמן בהנחה שחוק התערובות ה יסיב לש חוזקאת החשב . 3

𝝈𝒇𝒄 = (𝑭 − 𝑭𝒎) 𝑵⁄ 𝑺𝒇

אגודת הוא שטח החתך של 𝑆𝑓-ו סיבים, אגודות ההוא מספר N ,חומר מחזקעם דגםהשל רבימ מתיחה הוא כוח Fכאשר

mm 0.7) ים יחידהסיב2

).

𝐹𝑚 הוא מטריצהב מרביהכוח ה:

𝐹𝑚 = 𝜎𝑚0 (𝑆 − 𝑁𝑆𝑓)

𝜎𝑚כאשר0 הדגם של שטח החתך - S(, N =0)שנמדד בניסוי מתיחה של דגם מטריצה ללא סיבים חוזק המטריצה הוא

בניסוי עם חומר מחזק.

סיבים במטריצה. ה כתלות בריכוז פחמןה יסיב לשהמחושב חוזקשרטט את ה

דיון בתוצאות ומסכנות

שונים. בכוונים מרוכב חומר של הומוגניותה-איהסבר את

ר מדוע.הסבכתלות בריכוז סיבים, מרוכבהחומר ל חוזק הששקיימת סטייה מלינאריות במקרה

בספרות שפורסם לערך הניסוי פי על שקבעת פחמןה סיבי אגודת לש החוזק את השווה (4550 MPa.)

𝝈𝒇הסבר התנהגות של עקומת 𝒄 .כתלות בריכוז הסיבים

מתיחהה יבניסויר שבהפני תאר את.

15

שאלות לדו"ח מכין

. תאר את תהליכי הייצור של חומרים מרוכבים.1

?מכיר , איזה מטריצות ואיזה חלקיקים אתה י חלקיקים"מרוכב המחוזק ע חומר. מהו 2

שימושים של ח"מ המחוזק בסיבי גרפיט או בורון ? ה. מהם 3

הסבר את ההבדלים בתכונות המכניות של:. 4

א. מטריצה אפוקסית.

PREPREGב. שכבה של

. PREPREGבנוי מכמה שכבות של רוכבמומר חג.

וגרפיה :יביבל

1. D. B. Miracle and S. L. Donaldson, Introduction to Composites, Composites, ASM Handbook, Vol. 21, (2001), ASM

International, pp. 39-67.

2. W. D. Callister, Jr., D. G. Rethwisch, Materials Science and Engineering. An Introduction, Chapter 16: Fiber-

Reinforced Composites. 7th ed. John Willey & Sons, 2006.

https://www.academia.edu/6882164/Materials_science_and_Engineering_by_William_D._Callister

3. E. J. Barbero, Introduction to composites materials design, Philadelphia, PA: Taylor & Francis, 1999.

4. C. Zweben, H. T. Hahn, T- W. Chou, Mechanical behavior and properties of composite materials, Volume 1,

Technomic Publishing Co. Inc, 1989.

5. H. L Cox, The elasticity and strength of paper and other fibrous materials, British J. Appl. Phys. 3 (1952) 72-80.

6. HexForce® US Technical Fabrics Handbook - Hexcel.com; HexPly® 8552 - Hexcel.com.

7. D. D. L. Chung, Carbon Fiber Composites, 1994, Butterworth-Heinemann, p. 213.